專利名稱：一種基于數(shù)字照相的巖土工程變形實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巖土工程變形實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警方法，特別是一種基于數(shù)字照相的巖土工程變形實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警方法。
背景技術(shù)：
巖土工程領(lǐng)域，包括實(shí)驗(yàn)室與工程現(xiàn)場，特別是城市地鐵及重要地下工程在修建過程中，為了確保工程結(jié)構(gòu)或周邊重要建構(gòu)筑物的安全，非常重視和強(qiáng)調(diào)變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測， 而一般常用的基于全站儀的實(shí)時(shí)變形監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)備造價(jià)昂貴，使用操作復(fù)雜。目前，廣泛應(yīng)用的基于CCD的遠(yuǎn)程視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，也僅僅只能進(jìn)行常規(guī)動態(tài)圖像的采集與回放， 不能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的圖像采集與變形分析的同步進(jìn)行以及以此為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)變形預(yù)警功能，同時(shí)，以動態(tài)影像采集為主要功能的CCD攝像頭存儲的靜態(tài)圖像清晰度比數(shù)碼相機(jī)要低很多，若用于變形分析則精度較低；而采用高清數(shù)碼相機(jī)代替一般CCD攝像頭作為巖土工程目標(biāo)(如實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蚬こ探Y(jié)構(gòu))的普通數(shù)字照相量測系統(tǒng)雖然解決了采集圖像清晰度和圖像實(shí)時(shí)采集的問題，但不能實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)處理、變形計(jì)算和結(jié)果可視化。因此，當(dāng)前巖土工程變形觀測方法未能有效解決連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)分析與實(shí)時(shí)預(yù)警的問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種基于數(shù)字照相的巖土工程變形實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警方法， 解決現(xiàn)有基于數(shù)字照相的變形監(jiān)測技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)圖像采集與圖像變形同步分析的問題。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的包括以下步驟(a)采用高清數(shù)碼相機(jī)和與高清數(shù)碼相機(jī)配套的照明燈作為巖土工程目標(biāo)的圖像采集設(shè)備，對巖土工程目標(biāo)表面進(jìn)行監(jiān)測； 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)監(jiān)測巖土工程目標(biāo)表面時(shí)，不設(shè)置人工標(biāo)志點(diǎn)；在較大工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測巖土工程目標(biāo)表面時(shí)，對該巖土工程目標(biāo)表面設(shè)置“十字形”人工標(biāo)志點(diǎn)；(b)在距巖土工程目標(biāo)約 2 細(xì)處架設(shè)高清數(shù)碼相機(jī)和照明燈，高清數(shù)碼相機(jī)與監(jiān)測現(xiàn)場一臺計(jì)算機(jī)連接，高清數(shù)碼相機(jī)和照明燈均對準(zhǔn)巖土工程目標(biāo)，調(diào)節(jié)高清數(shù)碼相機(jī)相關(guān)參數(shù)以使圖像清晰，連續(xù)拍攝兩幅圖像，并將圖像通過數(shù)據(jù)電纜存儲到連接計(jì)算機(jī)的預(yù)設(shè)文件夾上；(c)在連接的計(jì)算機(jī)上啟動自制的數(shù)字照相量測軟件程序PhotoMonitor，設(shè)定本次監(jiān)控目標(biāo)的預(yù)警值，所述的預(yù)警值包括位移預(yù)警值和位移速率預(yù)警值，添加上述兩幅圖像到軟件程序中的一組圖像集合名稱一“分析圖像序列”中，同時(shí)在第一幅圖像上人工設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)；(d)利用高清數(shù)碼相機(jī)帶有的圖像采集設(shè)置軟件設(shè)定圖像采集頻率，開始進(jìn)行巖土工程目標(biāo)的圖像實(shí)時(shí)采集工作；(e)新采集的圖像通過數(shù)據(jù)電纜傳輸?shù)接?jì)算機(jī)預(yù)設(shè)的文件夾后，PhotoMonitor軟件自動感知該預(yù)設(shè)文件夾的新增圖像并自動添加到“分析圖像序列”中；(f )應(yīng)用數(shù)字散斑相關(guān)分析原理，PhotoMonitor開始自動對每幅新增圖像進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)的位移和位移速率分析， 所述的監(jiān)測點(diǎn)已在第一幅圖像上人工布置，同時(shí)根據(jù)已設(shè)定的預(yù)警值進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)安全狀態(tài)的評判；(g)分析完畢后，PhotoMonitor自動將監(jiān)測點(diǎn)的位移、位移速率以曲線的形式和安全評判結(jié)果以文字的形式實(shí)時(shí)顯示在本地計(jì)算機(jī)的屏幕上或通過無線網(wǎng)絡(luò)顯示在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)屏幕上，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)的位移或位移速率超過了設(shè)定預(yù)警值時(shí)，PhotoMonitor將以短信的形式告知有關(guān)人員以引起重視，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字照相的巖土工程變形實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警。
所述的步驟(b)中，高清數(shù)碼相機(jī)需要調(diào)節(jié)的參數(shù)包括通信參數(shù)和鏡頭參數(shù)，通信參數(shù)調(diào)節(jié)內(nèi)容主要包括攝像機(jī)所在串口號、波特率、數(shù)據(jù)位和停止位四個(gè)參數(shù)，其中，串口號要確保與攝像機(jī)實(shí)際所在位置一致；鏡頭參數(shù)調(diào)節(jié)內(nèi)容主要包括變倍、聚焦和光圈三個(gè)參數(shù)，一般先根據(jù)周圍環(huán)境光線的明暗調(diào)節(jié)光圈，光線暗則要進(jìn)光量大，即光圈調(diào)大，反之則調(diào)小，然后，調(diào)節(jié)變倍，相當(dāng)于將拍攝目標(biāo)拉近或推遠(yuǎn)，調(diào)好變倍后，再調(diào)節(jié)聚焦，使目標(biāo)肉眼看起來清晰。
所述的步驟(c)中，啟動WiotoMonitor后，首先需要在該系統(tǒng)中新建一個(gè)“項(xiàng)目文件”來存儲本次的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)；然后在生成該“項(xiàng)目文件”的軟件界面中輸入本次變形監(jiān)測的預(yù)警值，添加前兩幅圖像到“分析圖像序列”中；最后利用PhotoMonitor中的“測點(diǎn)布置”功能在顯示的第一幅圖像上用鼠標(biāo)自由選定圖像中的幾個(gè)點(diǎn)來作為本次變形監(jiān)測的監(jiān)測點(diǎn)。
所述的步驟(e)中PhotoMonitor軟件自動感知文件夾的新增圖像的原理主要是PhotoMonitor會每秒掃描一次該文件夾下的所有文件，并記錄下該文件夾下每個(gè)圖像文件的文件名，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有圖像的文件名在上一次記錄中不存在時(shí)，就表示該圖像為新增圖像，系統(tǒng)就可根據(jù)設(shè)定的命名規(guī)則對這些圖像進(jìn)行重命名，本發(fā)明設(shè)定的圖像命名規(guī)則為 第一幅圖像命名為“Sand-000-1000000”，第二幅圖像就為“Sand-000-1000001”，第三幅為 “Sand-000-1000002”，依此類推，并將命名后的新增圖像添加到軟件界面中的“分析圖像序列”中。
所述的步驟(f)中各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移和位移速率分析過程如下所示1)以第一幅圖像的一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)為中心點(diǎn)來構(gòu)建一個(gè)邊長為21個(gè)像素的正方形像素塊 Bi，該監(jiān)測點(diǎn)設(shè)為1 點(diǎn)；2)像素塊的坐標(biāo)均采用局部坐標(biāo)系，用來確定像素塊上各個(gè)像素點(diǎn)的位置，即只要兩個(gè)像素塊大小相同，其坐標(biāo)原點(diǎn)及范圍相同，計(jì)算結(jié)束后可轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)；3)在新增的一幅圖像上的搜索范圍內(nèi)選擇任意一點(diǎn)Η ，以其中心點(diǎn)來構(gòu)建一個(gè)邊長為21個(gè)像素的正方形像素塊B2i，所述的搜索范圍為新增圖像上以1 點(diǎn)位置處的像素點(diǎn)為中心，半邊長為300像素的一個(gè)正方形區(qū)域；4)按公式(1)計(jì)算出Bl和B2i的相關(guān)系數(shù)；式中R12—兩個(gè)大小相同的像素塊的一個(gè)顏色分量的灰度相關(guān)系數(shù)，對RGB三個(gè)顏色分量分別計(jì)算得到相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)值，然后取平均值作為兩個(gè)像素塊的相關(guān)系數(shù)值； ν (x,y) 一圖像A上坐標(biāo)為(X，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，范圍為0 255 ； u (x,y) 一圖像B上坐標(biāo)為(X，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，范圍為0 255 ； k一像素塊的邊長除以2后取整數(shù)；5)對圖像B上劃定的搜索范圍內(nèi)所有像素點(diǎn)均按2) 4)步驟計(jì)算出相關(guān)系數(shù)，然后從中找出最大相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的像素點(diǎn)作為第一幅圖像上1 點(diǎn)在新增圖像上的對應(yīng)點(diǎn)1 ；6)分別記錄1 點(diǎn)的坐標(biāo)和1 點(diǎn)的坐標(biāo)，按式(2)計(jì)算得到1 點(diǎn)的位移值，其它監(jiān)測點(diǎn)的位移分析與之相同；
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)字照相的巖土工程變形實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警方法，其特征是包括以下步驟(a)采用高清數(shù)碼相機(jī)和與高清數(shù)碼相機(jī)配套的照明燈作為巖土工程目標(biāo)的圖像采集設(shè)備，對巖土工程目標(biāo)表面進(jìn)行監(jiān)測；在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)監(jiān)測巖土工程目標(biāo)表面時(shí)，不設(shè)置人工標(biāo)志點(diǎn)；在較大工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測巖土工程目標(biāo)表面時(shí)，對該巖土工程目標(biāo)表面設(shè)置“十字形”人工標(biāo)志點(diǎn)；(b)在距巖土工程目標(biāo)約2 細(xì)處架設(shè)高清數(shù)碼相機(jī)和照明燈，高清數(shù)碼相機(jī)與監(jiān)測現(xiàn)場一臺計(jì)算機(jī)連接，高清數(shù)碼相機(jī)和照明燈均對準(zhǔn)巖土工程目標(biāo)，調(diào)節(jié)高清數(shù)碼相機(jī)相關(guān)參數(shù)以使圖像清晰，連續(xù)拍攝兩幅圖像，并將圖像通過數(shù)據(jù)電纜存儲到連接計(jì)算機(jī)的預(yù)設(shè)文件夾中；(c)在連接的計(jì)算機(jī)上啟動自制的數(shù)字照相量測軟件程序 PhotoMonitor,設(shè)定本次監(jiān)控目標(biāo)的預(yù)警值，所述的預(yù)警值包括位移預(yù)警值和位移速率預(yù)警值，添加上述兩幅圖像到軟件程序中的一組圖像集合名稱一 “分析圖像序列”中，同時(shí)在第一幅圖像上人工設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)；(d)利用高清數(shù)碼相機(jī)帶有的圖像采集設(shè)置軟件設(shè)定圖像采集頻率，開始進(jìn)行巖土工程目標(biāo)的圖像實(shí)時(shí)采集工作；(e)新采集的圖像通過數(shù)據(jù)電纜傳輸?shù)接?jì)算機(jī)預(yù)設(shè)的文件夾后，PhotoMonitor軟件自動感知該預(yù)設(shè)文件夾的新增圖像并自動添加到“分析圖像序列”中；(f )應(yīng)用數(shù)字散斑相關(guān)分析原理，PhotoMonitor開始自動對每幅新增圖像進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)的位移和位移速率分析，所述的監(jiān)測點(diǎn)已在第一幅圖像上人工設(shè)置，同時(shí)根據(jù)已設(shè)定的預(yù)警值進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)安全狀態(tài)的評判；(g)分析完畢后，PhotoMonitor 自動將監(jiān)測點(diǎn)的位移、位移速率以曲線的形式和安全評判結(jié)果以文字的形式實(shí)時(shí)顯示在本地計(jì)算機(jī)的屏幕上或通過無線網(wǎng)絡(luò)顯示在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)屏幕上，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)的位移或位移速率超過了設(shè)定預(yù)警值時(shí)，PhotoMonitor將以短信的形式告知有關(guān)人員以引起重視，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字照相的巖土工程變形實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字照相的巖土工程變形實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警方法，其特征是所述的步驟(b)中，高清數(shù)碼相機(jī)需要調(diào)節(jié)的參數(shù)包括通信參數(shù)和鏡頭參數(shù)，通信參數(shù)調(diào)節(jié)內(nèi)容主要包括攝像機(jī)所在串口號、波特率、數(shù)據(jù)位和停止位四個(gè)參數(shù)，其中，串口號要確保與攝像機(jī)實(shí)際所在位置一致；鏡頭參數(shù)調(diào)節(jié)內(nèi)容主要包括變倍、聚焦和光圈三個(gè)參數(shù)，一般先根據(jù)周圍環(huán)境光線的明暗調(diào)節(jié)光圈，光線暗則要進(jìn)光量大，即光圈調(diào)大，反之則調(diào)小，然后，調(diào)節(jié)變倍，相當(dāng)于將拍攝目標(biāo)拉近或推遠(yuǎn)，調(diào)好變倍后，再調(diào)節(jié)聚焦，使目標(biāo)肉眼看起來清晰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字照相的巖土工程變形實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警方法， 其特征是所述的步驟(c)中，啟動WiotoMonitor后，首先需要在該系統(tǒng)中新建一個(gè)“項(xiàng)目文件”來存儲本次的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)；然后在生成該“項(xiàng)目文件”的軟件界面中輸入本次變形監(jiān)測的預(yù)警值，添加前兩幅圖像到“分析圖像序列”中；最后利用PhotoMonitor中的“測點(diǎn)布置”功能在顯示的第一幅圖像上用鼠標(biāo)選定圖像中的幾個(gè)像素點(diǎn)來作為本次變形的監(jiān)測點(diǎn)ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字照相的巖土工程變形實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警方法，其特征是所述的步驟(e)中PhotoMonitor軟件自動感知文件夾的新增圖像的原理主要是 PhotoMonitor會每隔10秒掃描一次該文件夾下的所有文件，并記錄下該文件夾下每個(gè)圖像文件的文件名，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有圖像的文件名在上一次記錄中不存在時(shí)，就表示該圖像為新增圖像，系統(tǒng)就可根據(jù)設(shè)定的命名規(guī)則對這些圖像進(jìn)行重命名，本發(fā)明設(shè)定的圖像命名規(guī)則為第一幅圖像命名為“Sand-000-1000000”，第二幅圖像就為“Sand-000-1000001 ”，第三幅為“Sand-000-1000002”，依此類推，并將命名后的新增圖像添加到軟件界面中的“分析圖像序列”中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字照相的巖土工程變形實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警方法，其特征是所述的步驟(f)中各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移和位移速率分析過程如下所示1)以第一幅圖像的一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)為中心點(diǎn)來構(gòu)建一個(gè)邊長為21個(gè)像素的正方形像素塊 Bi，該監(jiān)測點(diǎn)設(shè)為1 點(diǎn)；2)像素塊的坐標(biāo)均采用局部坐標(biāo)系，用來確定像素塊上各個(gè)像素點(diǎn)的位置，即只要兩個(gè)像素塊大小相同，其坐標(biāo)原點(diǎn)及范圍相同，計(jì)算結(jié)束后可轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)；3)在新增的一幅圖像上的搜索范圍內(nèi)選擇任意一點(diǎn)Η ，以其為中心點(diǎn)來構(gòu)建一個(gè)邊長為21個(gè)像素的正方形像素塊B2i，所述的搜索范圍為新增圖像上以1 點(diǎn)位置處的像素點(diǎn)為中心，半邊長為300像素的一個(gè)正方形區(qū)域；4)按公式(1)計(jì)算出Bl和B2i的相關(guān)系數(shù)；式中R12—兩個(gè)大小相同的像素塊的一個(gè)顏色分量的灰度相關(guān)系數(shù)，對RGB三個(gè)顏色分量分別計(jì)算得到相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)值，然后取平均值作為兩個(gè)像素塊的相關(guān)系數(shù)值； ν (x,y) 一圖像A上坐標(biāo)為(X，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，范圍為0 255 ； u (x,y) 一圖像B上坐標(biāo)為(X，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，范圍為0 255 ； k一像素塊的邊長除以2后取整數(shù)；5)對圖像B上劃定的搜索范圍內(nèi)所有像素點(diǎn)均按2) 4)步驟計(jì)算出相關(guān)系數(shù)，然后從中找出最大相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的像素點(diǎn)作為第一幅圖像上1 點(diǎn)在新增圖像上的對應(yīng)點(diǎn)1 ；6)分別記錄1 點(diǎn)的坐標(biāo)和1 點(diǎn)的坐標(biāo)，按式(2)計(jì)算得到1 點(diǎn)的位移值，其它監(jiān)測點(diǎn)的位移分析與之相同；式中Δ χ— 1 點(diǎn)在橫向方向上的位移； xa_第一幅圖像上1 點(diǎn)的橫坐標(biāo)； xb—新增圖像上1 點(diǎn)的橫坐標(biāo)； Δγ—Pa點(diǎn)在豎向方向上的位移； ya_第一幅圖像上1 點(diǎn)的豎坐標(biāo)； yb—新增圖像上1 點(diǎn)的豎坐標(biāo)； As+I^a點(diǎn)的總位移；7)由于連續(xù)采集的兩幅圖像的間隔時(shí)間非常短，因此1 點(diǎn)的實(shí)時(shí)位移速率可按式(3) 來計(jì)算，其它監(jiān)測點(diǎn)的位移速率分析與之相同；Fs.< Vy = (Af2-Ly1) ft(2)= fJ+yJ式中vx_新增圖像在橫向方向上的位移速率；δ&—新增圖像在橫向方向上的位移；Δ X1—新增圖像的上一幅圖像在橫向方向上的位移；t一兩幅圖像的采集間隔時(shí)間；Vy_新增圖像在豎向方向上的位移速率；Ay2—新增圖像在豎向方向上的位移；Ay1—新增圖像的上一幅圖像在豎向方向上的位移；△Vs— 1 點(diǎn)的總位移速率。
全文摘要
一種基于數(shù)字照相的巖土工程變形實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警方法，該方法由圖像采集與傳輸裝置、圖像實(shí)時(shí)同步分析軟件PhotoMonitor、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置組成。首先，利用高清數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行觀測目標(biāo)的圖像采集，并將圖像通過數(shù)據(jù)纜線傳輸?shù)桨惭b有PhotoMonitor的計(jì)算機(jī)上，PhotoMonitor自動偵測到新采集的圖像，然后自動命名加入到分析圖像序列中以對觀測目標(biāo)的實(shí)時(shí)位移、位移速率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完成后，PhotoMonitor再將結(jié)果顯示在本地計(jì)算機(jī)屏幕上，同時(shí)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸并顯示在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)屏幕上，結(jié)果如超出預(yù)先設(shè)定的控制基準(zhǔn)值則發(fā)出預(yù)警信號。優(yōu)點(diǎn)簡單靈活、使用經(jīng)濟(jì)、精度高、易于推廣。
文檔編號G01B11/16GK102506738SQ201110349408
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者李元海, 林志斌, 靖洪文 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)